ما المقصود بالالياف البصرية

Abdessamed Belabbaci
منذ 12 سنة

الألياف البصرية هي ألياف مصنوعة من الزجاج النقي طويلة ورفيعة لا يتعدى سمكها سمك الشعرة يجمع العديد من هذه الألياف في حزم داخل الكيبلات البصرية وتستخدم في نقل الإشارات الضوئية لمسافات بعيدة جداً.
ويتكون الليف البصري من :
االقلب (Core) : وهو عبارة عن زجاج رفيع ينتقل فيه الضوء.
العاكس ( Cladding): مادة تحيط باللب الزجاجي وتعمل على عكس الضوء مرة أخرى إلى مركز الليف البصري.
الغطاء الواقي (Buffer Coating): غلاف بلاستيكي يحمي الليف البصري من الرطوبة أو ويحميه من الضرر و الكسر.

Basem Medhat
منذ 12 سنة

تعتبر الاتصالات بالألياف الضوئية أحد فروع الإلكترونيات الضوئية Optoelectronics التي تدمج نوعين أساسيين من العلوم هما الإلكترونيات والضوء. ويعتمد علم الإلكترونيات الضوئية على معالجة الإشارات الكهربائية وتحويلها إلى إشارات ضوئية ( وبالعكس ) وطرق نقل المعلومات ضوئياً وذلك بتحميلها على إشارات ضوئية ذات طول موجي مناسب للإرسال ثم استخلاصها من الإشارات الضوئية المستقبلة في طرف الاستقبال.
وقد أدى التقدم العلمي والتكنولوجي الذي ظهر في القرن العشرين إلى ثورة هائلة في المعلومات وفي علوم الاتصالات حيث أصبح العالم قرية صغيرة. ونتيجة لذلك كان لابد من إيجاد وسط نقل جيد يستوعب كميات كبيرة من المعلومات وذي مواصفات عالية. وكان هذا الوسط هو الليف الضوئي الذي يمتاز بمزايا جديرة بالثقة حيث يمكن نقل المعلومات ضمن الليف بعرض مجال من مرتبةGbps بالإضافة إلى فعاليته ضد التشويش وسرعته العالية وصغر حجمه وخفة وزنه.
لقد جاء هذا العمل كمدخل بسيط في دراسة نظم الاتصالات بالألياف الضوئية، ونظراً لضيق الوقت المخصص لمشروع السنة الرابعة، لم نتمكن من التعمق في الجوانب العملية للموضوع. ولذلك جاءت الجوانب العملية التطبيقية بسيطة ومحدودة، علماً أن الموضوع متشعب جداً ويشكل عصب الاتصالات في عصرنا الحالي. ونرجو من القارئ الكريم أن يعذرنا لوجود بعض النقص في الجوانب النظرية وربما بعض الأخطاء غير المقصودة. كما نتوجه بالشكر والتقدير المسبق لكل من يتكرم بالإشارة إلى مواضع النقص أو الأخطاء ويبلغنا عنها. وقد تركز اهتمامنا حول الجوانب العملية للموضوع بغية تحقيق تجربة مخبرية لتكون أول نواة لتجارب الاتصالات بالألياف الضوئية في مخبر الاتصالات في الكلية اعتباراً من العام الدراسي2003-2004 م بالاعتماد على نظام اتصالات بسيط ومصغر لليف ضوئي موجود في المخبر جرى تشغيله واستثماره لأول مرة.
* لماذا الألياف الضوئية:
تتميز الألياف الضوئية بمزايا عديدة جعلتها تتفوق على النظم الأخرى المستخدمة في مجال الاتصالات ومن هذه المميزات ما يلي:
* إن الميزة الرئيسية للألياف الضوئية هي كفاءتها العالية في نظم الاتصالات عريضة المجال Broad Band, مما يوفر إمكانية نقل كمية معلومات كبيرة جداً بواسطة ليف ضوئي واحد, وهذه المعلومات قد تكون صوراً تلفزيونية أو مكالمات هاتفية أو معلومات للحواسيب أو مزيج منها, وللمقارنة نجد أنه من أجل نظام اتصالات بالترددات العالية Very High Frequency ( VHF ) يعمل عند التردد 100MHz يكون عرض المجال المسموح به 10MHz، ومن أجل نظام اتصالات ميكروي يعمل عند التردد 6GHz يكون عرض المجال المسموح به 100MHz, وهكذا فإن الزيادة في تردد الحامل تقابلها زيادة في عرض المجال المسموح به وبالتالي زيادة في كمية المعلومات المتبادلة, إن تردد الضوء المستخدم في نظام الاتصالات بالألياف الضوئية يتراوح بين 1014Hz و 1015Hz ومن هنا نجد أن عرض المجال المسموح به كبير. وتجدر الإشارة إلى أن هناك نظم اتصالات بالألياف الضوئية تعمل بعرض مجال للمعلومات يبلغ 2.5Gbit/s، ويتجه التفكير نحو إيجاد نظم اتصالات بعرض مجال يبلغ 10Gbit/s مستقبلاً، الأمر الذي يبين بوضوح مدى كفاءة نظم الاتصالات بالألياف الضوئية في تلبية متطلبات نظم الاتصالات الحديثة.
* المادة الأساسية لصناعة الألياف الضوئية هي ثاني أوكسيد السيليكون المتوفر بكثرة, وتصنع بعض الألياف الضوئية من البلاستيك الشفاف وهي مادة أخرى متوفرة بسهولة, وبالنسبة لنفقات الإنشاء والتشغيل والصيانة نجد أنه من أجل الخطوط الطويلة تعتبر الكابلات الليفية أقل كلفة للنقل وأسهل للتركيب من الكابلات المعدنية, فمن أجل ليف ضوئي قطره 125mm وبغلاف بلاستيكي ذي قطر 2.5mm يبلغ وزن الكابل 6kg/km، كما يبلغ التخامد فيه 5dB/km, وبالمقارنة مع الكابل المحوري RG-19/U والذي يبلغ تخامده 22.6dB/km عندما ينقل إشارة بتردد 100MHz، كما يبلغ قطره الخارجي 28.4 mm ويبلغ وزنه 1110 kg/km، الأمر الذي يبين بوضوح أفضلية الليف الضوئي من حيث الحجم والوزن, ونظرا لهذه الميزة فقد تم استبدال الكابلات النحاسية في كثير من الطائرات والبواخر بألياف ضوئية.
* وبإجراء مقارنة أخرى بين كابل معدني وآخر ضوئي، يبلغ قطر الكابل المعدني 70mmويحتوي على 900 زوج من الأسلاك المجدولة Twisted pair cable ويعمل كل منها بمعدل نقل 2Mbit/s وبسعة 30 قناة هاتفية لكل زوج لتبلغ سعة الكابل المعدني الكلية 27000 قناة هاتفية, بينما نجد أن الكابل الضوئي يبلغ قطره 12.7 mm ويحتوي 32 ليفاً يعمل كل منهم عند المعدل 140 Mbit/s وبسعة 1920 قناة هاتفية لكل ليف فتبلغ السعة الإجمالية للكابل الضوئي61440 قناة هاتفية, الأمر الذي يوضح تميز الكابل الضوئي على الكابل المعدني من حيث سعة المعلومات ومساحة مقطع الكابل, هذا مع العلم أن الكابل المعدني بإمكانه نقل الإشارة بالمعدل 2Mbit/s فقط لمسافات قصيرة تبلغ في أحسن الأحوال عدة مئات من الأمتار.
* إن الألياف الضوئية سواء الزجاجية منها أو البلاستيكية هي عوازل وبالتالي فهي تمتاز بمناعة عالية ضد التداخل في مجال الترددات الراديوية ( RFI ) Radio Frequency Interference وضد التداخل الكهرطيسي ( EMI ) Interference Electromagnetic لعدم وجود تيارات كهربائية تمر في الألياف الضوئية. يشير الـ ( RFI ) إلى التداخل الناتج عن محطات التلفزيون والراديو والإشارات الرادارية أو أي إشارات أخرى تنشأ في التجهيزات الكهربائية, ويشير ( EMI ) إلى التداخل الناتج عن خطوط نقل القدرة الكهربائية الموجودة في محيط الألياف الضوئية وكذلك الذي تسببه الظواهر الطبيعية كالبرق.
* نظراً لأن الضوء هو الوسط الناقل للمعلومات في الألياف الضوئية ولا يولد هذا الضوء أية حقول كهرطيسية خارج الليف فإن من الصعوبة بمكان التجسس ومعرفة المعلومات التي يحويها الليف الضوئي, كما أن من الصعوبة معرفة وجود الليف الضوئي بسبب المادة المصنع منها ولا يوجد جزء معدني إلا في بعض الحالات حيث تتم إضافة سلك فولاذي لتقوية الكابل الضوئي, أو تسليح معدني لحماية الكابل من القوارض والأحمال الخارجية.
* كما أن الألياف الضوئية تعتبر أكثر أماناً لكونها لا تحمل تيارات كهربائية وبالتالي تسهل صيانتها, ولذلك فهي تفضل في حالة الأوساط القابلة للاشتعال أو الانفجار. بالإضافة إلى أنه يمكن إصلاح الليف أثناء تشغيل النظام من غير إمكانية حدوث قصر للتيار عند المرسل أو المستقبل, الأمر الذي يمكن أن يحدث عند إصلاح كابل معدني.
* ما هو الليف الضوئي :Optical Fiber
الليف عبارة عن خيط رفيع من الزجاج أو البلاستيك مؤلف من طبقتين: الأولى طبقة داخلية شفافة للضوء تدعى القلب Core والثانية غلاف ذو قرينة انكسار أقل يدعى الغلاف Cladding ويحيط بالطبقتين غلاف خارجي للحماية كما هو موضح في الشكل
يتميز القلب بمعامل انكسار n1 والغلاف بمعامل انكسار n2 حيث يكون دائماًn1 > n2 .
http://recuerdosenredados.files.wordpress.com/2009/09/optical-fiber-cables.jpg
* كيف ينتشر الضوء في الألياف الضوئية Light Propagation In The Optical Fibers:
تنتشر الأشعة الضوئية في القلب منعكسة على الغلاف ويعتمد انتشار الضوء ضمن القلب على الزاوية التي يرد بها على السطح الفاصل بين القلب والغلاف. فعندما تكون زاوية الورود أكبر من الزاوية الحرجة فإن الأشعة الضوئية الواردة على السطح الفاصل بين القلب والغلاف تنعكس كلياً لتبقى ضمن القلب, وتتكرر هذه الحادثة عدة مرات خلال انتشارها ضمن القلب إلى أن تخرج من الطرف الآخر لليف كما في الشكل
http://www.phy.duke.edu/research/photon/qelectron/proj/infv/images/fiber-diagram.gif
*أنواع الألياف الضوئية:
يمكن تصنيف الألياف الضوئية وفقا لمعيارين:
1 - نمط الانتشار: يصف مسار انتشار الضوء في الليف الضوئي فإذا كان هناك مسار وحيد لانتشار الضوء في الليف الضوئي سمي هذا الليف بوحيد النمط ( Mono Mode ) وإذا كان هناك أكثر من مسار لانتشار الضوء سمي بمتعدد الأنماط( Multi Mode ) إن الليف متعدد الأنماط أكثر انتشارا من الليف وحيد النمط لأن له خصائص عملية أفضل,.
2 - مخطط تغيرات معامل الانكسار: يقصد به تغير معامل الانكسار مع تغير نصف قطر قلب الليف الضوئي وتصنف الألياف وفق ذلك إلى نموذجين رئيسيين:
a- الليف الضوئي ذو معامل الانكسار الدرجي Step-Index Fiber [ SI ]: حيث يبقى معامل انكسار القلبn1 ثابت وكذلك الحال بالنسبة لمعامل انكسار الغلافn2 ولكنه يكون كما أشرنا سابقا أصغر من معامل انكسار القلب بحيث يكون هناك تغير مفاجئ عند السطح الفاصل بين القلب والغلاف.
b- الليف الضوئي ذو معامل الانكسار المتدرج Graded-Index Fiber [ GRIN ] : في هذا النموذج يكون القلب ذو معامل انكسار متغير تبعاً للبعد عن محور الليف حيث يكون له قيمة أعظمية عند محور الليف وتنخفض تدريجياً بالابتعاد عن المحور
ووفقاً للمعيارين السابقين فإنه يوجد في الواقع العملي ثلاثة أنواع للألياف:
1– الليف وحيد النمط ذو معامل الانكسار الدرجيMono Mode Step-Index Fiber .
2– الليف متعدد الأنماط ذو معامل الانكسار الدرجي Multimode Step-Index Fiber.
3– الليف متعدد الأنماط ذو معامل الانكسار المتدرجMultimode Graded-Index Fiber .
http://www.marefa.org/images/thumb/0/0e/Optical_fiber_types.svg/550px-Optical_fiber_types.svg.png
w الآفاق المستقبلية لاستخدام الألياف الضوئية Fiber Optic Future Applications:
تمر التقنيات الفوتونية الآن في المرحلة التي كانت عليها الإلكترونيات قبل ثلاثين عاما من حيث تطور الأجزاء المكونة لها وتسارعها نحو الوصول إلى أنظمة عالية الكفاءة تواكب المتطلبات المتزايدة التي يفرضها التطور الكبير في أنظمة الاتصالات.
إن متوسط الحركة على الشبكات الرئيسية للإنترنت يقدر بحوالي تريليون بت/ثانية, ,وبما أن خطوط النقل الضوئية يمكنها تمرير مئات آلاف أضعاف ما يمكن أن تمرره أجهزة الإرسال الميكروية أو الأقمار الصنعية ( وهما اقرب منافسين لليف الضوئي بالنسبة لاتصالات المسافات البعيدة ) من حيث عرض المجال وسرعة نقل لذلك كان الليف الضوئيهو وسط النقل الوحيد الذي يمكنه الاقتراب منمتطلبات السرعة على الشبكات الحديثة. لكن عندما تصبح الشبكة أسرع من المعالج ترتفع بشدة تكاليف استخدام الإلكترونيات التقليدية مع النقل الضوئي, فسيل المعلومات المنقول على موجة ضوئية ضمن الليف ينبغي أن يجزَّء إلى تيارات بيانات أبطأ بحيث يمكن تحويلها إلى تيارات إلكترونية من اجل معالجتها ومن ثم يعاد تجميعها في تيار بيانات سريع التدفق, والتقانات التي تحول الفوتونات إلى إلكترونات ثم تعيدها إلى فوتونات لا تبطئ الحركة على الشبكة فحسببل تجعل أسعار أجهزتها ترتفع بشدة أيضا, لذلك نسعى الآن إلى إيجاد شبكة ضوئية صرفة لا تحتوي أي عناصر الكترونية تضطر الإشارات للتباطؤ عندها.
وقد كانت الخطوة المهمة على الطريق نحو شبكة ضوئية صرفه في بدايات تسعينات القرن العشرين هي الاستعاضة عن الإلكترونيات المستخدمة في تضخيم الإشارة بقطع من الليف المحقون بأيونات عنصر الاربيوم النادر, وسميت هذه القطع بالمضخمات الضوئية Optical Amplifiers, وبعد أن تمكنا من تضخيم الموجات فإن الشيء التالي الذي نرغب في فعله هو حشر اكبر عدد ممكن من أطوال الموجات في الليف مع تحميل كل طول موجة أكبر قدر ممكن من البيانات, وتدعى التقنية التي تحقق ذلك التجميع الكثيف بتقسيم الطول الموجي) Dense Wavelength Division Multiplexing ( DWDM, وقد أدى هذا التجميع إلى انفجار في عرض المجال ومن الممكن اليوم إرسال 160 طول موجة مختلف في ليف واحد بنفس الوقت, إلا أن شبكات الاتصالات لا تتألف من خطوط نقل تربط نقطة A بنقطة B فحسب, فهناك حاجة إلى مبدلات switches تسير تيار البيانات الرقمية إلى وجهته النهائية, والتطورات سابقة الذكر ستكون عديمة الفائدة إذا جرى تسيير التيارات الضوئية باستخدام المبدلات الالكترونية المعهودة, فعند إرسال البيانات الرقمية يجب أن تخرج الإشارات من الطريق الضوئي السريع وتدخل إلى تحويلة بطيئة كلما انتقلت من مسار إلى آخر, حيث يجب تحويل الضوء الوارد في الليف إلى تيار كهربائي لكي يمر عبر المبدل, ثم تحويله مجددا إلى ضوء لكي يواصل طريقه على امتداد ليف آخر, هذا التحويل الإلكتروني الضوئي يخلق نقاط اختناق Choke في الشبكة وهذامن شأنه أن يزيد مدة التأخير والكلفة في آن واحد ,لذلك تم تطوير مبدلات فوتونية مصنوعة من مرايا مجهرية تتم عملية التبديل Switchingفيهابطريقة ضوئية.
واعتمدت حاليا عدد من الشركات تقنية النظم الكهروميكانيكية الميكروية Micro Electro-Mechanical Systems ( MEMS لبناء مبدلات فوتونية نظرا إلى إن هذه الطريقة تؤدي الى انتاج مبدلات على شكلرقاقات قليلة التكلفة يمكن دمجها في الدارات المتكاملة,
وقد وضع أول مبدل فوتوني من نوع MEMS في الخدمة لأول مرة في الشهر السابع 2000 من قبل شركة LUCENT.
لكن التبديل الضوئي في الدارات ليس إلا خطوة مؤقتة, فمع تزايد سرعة الشبكات يمكن لشركات الاتصالات أن تطلب ما يمكن أن يكون بمثابة لمسة تتويج للشبكة الضوئية الصرفة, حيث تكون عملية التحكم بوضع المبدل باستخدام المعالجات الضوئية.
يواجه المهندسون مجموعة من المشكلات التقنية المزعجة التي ينبغي حلها قبل أن تصبح الشبكة الضوئية مكتملة وشائعة, فحتى بوجود التبديل الضوئي للموجة فان أحد الأجزاء الحساسة من الشبكة يستلزم التحويل إلى إلكترونيات, هذه الأجزاء هي المكررات فبعد كل 160 كيلومتر يجب تحويل طول الموجة إلى إشارة إلكترونية من اجل استعادة شكل كل نبضة و تواقتها بشكل فردي ضمن قطار البتات الهائل المحمول على كل طول موجة.
كما أن بناء دارات فوتونية متكاملة من أجل الحصول على المعالجة الضوئية هو أمر صعب، فالفوتونات لا تمتلك شحنة كالجسيمات ذات الشحنات السالبة التي تسمى إلكترونات, لذلك ليس هناك ما يشبه أداة تخزين الشحنة ( أي مكثف فوتوني ) باستطاعته تخزين الفوتونات التي تمثل الواحدات و الأصفار إلى أجل غير محدد.
حتى لو استطاع مهندسو الشبكات حل جميع المشاكل التي تثقل حاليا كاهل هذه الشبكات, فإنه لا يزال عليهم أن يواجهوا الحاجة إلى معالجة مشكلة " الميل الأخير " أي مد الليف من علبة التوزيع الخارجية إلى غرفة المكتب للمستخدم, ويقوم عدد من مهندسي البناء حاليا بتزويد المشروعات السكنية بالألياف مستشعرين سلفاً ذلك اليوم الذي يحصل فيه أصحاب المنازل على وصلات ضوئية بشكل تلقائي, لكن التكاليف العالية مازالت تعيق إيصال الألياف إلى البيوت فحتى وقت متأخر كان تكاليف إيصال الشبكات الضوئيةOptical Networking المتطورة مرتفعة وهي مكلفة أكثر .
المصدر مجلة ترونكس العدد الخامس............